贴塑导轨结合面法向动态特性参数的识别及分析

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Identifcation and analysis for dynamic characteristic parameters of a plastic-coated guideS jointGUO Cheng-long ' ，YUAN Jun-tang ，WANG Zhen-hua ，CHEN Zhan-yi ，WENG Jian-guang(1.Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China；2.Faw Jiefang Automotive Company，Ltd.，Changchun 13001 1，China)Abstract： The plastic-coated guides are often used functional pans of NC machine tools， and the dynamiccharacteristic of their joints is of signifcance to machining accuracy.Here，the dynamic characteristic parameters of aplastic-coated guideS joint were identifed through modal tests，then the influence laws of various factors on the dynamicfeatures of the joint were analyzed.The results showed that increasing sliding speed reduces the dynamic stifness of thejoint；increasing surface pressure and adding lubrication oil raise the jointS stifnes；the plastic-coated guide can keep thejoint dynamic characteristics more stably than the general metal guide can；as the thickness of plastic-coat increases，thejoint dynamic stifness decreases but the damping increases；the thickness of 1.2-1.5 mm is appropriate for the plastic-coat in practice。

Key words：plastic-coated guide；joint；damping； FE导轨作为精密机床的支承和导向结构，其定位精度、耐磨性及动态性能是保证机床加工精度和延长机床使用寿命的关键因素。贴塑导轨由于其良好的阻尼特性、摩擦特性及自润滑性能等优点被广泛应用于各类数控机床中，但其运行中会产生振动。振动不仅使滑台和导轨的相对位置发生变化，影响工作台定位精度，且加速导轨磨损。研究表明 J：精密工作台定位精度主要撒于导轨的振动。目前对导轨振动的研究多集中于滚动导轨 I3 。因此研究贴塑导轨结合面的振动特性对高精度机床设计意义深刻。

如图1所示，贴塑导轨结合面本身存在-定几何形状误差及微观不平度，且结合面间可能存在介质等基金项目：科技重大专项(2009ZX04014-036)；国家自然科学基金(51105207)收稿日期：2011-l2-15 修改稿收到日期：2012-02-29第-作者 郭成龙 男，硕士生，1988年生图 1 贴塑导轨表面放大图Fig.1 Enlarged drawing of plastic-coated surface受外加复杂动载荷作用时，结合面间会产生微小的相对位移或转动，使结合面既存储能量又消耗能量，表现出既有弹性又有阻尼的特性，此为动刚度和阻尼4 (即动态特性参数)，该特性对机床整体加工精度产生显著影响 。本文用自主开发的结合面参数识别试验系统进行模态试验，以单自由度力学模型为基础，消除了基础位移影响，使识别参数更精确。

96 振 动 与 冲 击 2013年第 32卷1 贴塑导轨结合面动态特性试验1.1 试验原理测试系统通过合理的结构设计 将结合面转化为等效单自由度系统，在该单 自由度系统的固有频率处，滑台振幅达到峰值，相位由0。变到-180。，激励与响应间相位差为90。。由测量的频响函数曲线可识别出系统的固有频率 09 ，根据峰值共振和半功率带宽法 分别求出导轨结合面的动刚度和阻尼。该识别方法消除了基础位移对试验的影响，更符合实际，识别出的参数精度高且具有理论依据。

1.2 试验装置贴塑导轨结合面动态特性参数识别试验的测试系统如图2所示，采用直流可调速电机驱动滚珠丝杠，丝杠螺母连接滑台，通过直流调速器改变电机转速以调节滑台的运动速度。直线导轨副用螺栓固定安装在平台上，激振器悬挂支架通过螺栓与直线导轨滑块连接，并通过同步推杆与滑台两侧相连，滑台以-定速度运动时带动悬挂支架同步运动，激振器连接在悬挂支架上以保证滑台运动时对系统进行同步激振。试验系统基座刚度较大，故安装平台与基座以螺栓固定连接的结合面刚度远大于滑动结合面刚度，因此可认为支架与滑台之间的结合面及支架与安装平台之间的结合面对试验数据无影响。

加速度 信号支架 传感器 阻抗头 激振器 泔台 同步推杆Pc及软件 调理仪图2 测试装置实物图Fig.2 Real figure of the testing device1.3 试验方法本文主要通过单因素试验分析滑动速度、贴塑厚度等因素对贴塑结合面动刚度和阻尼的影响规律。具体影响因素变化见表 1。

试验中用 M18螺栓对滑台进行法向加载，扭矩由扭矩扳手测量。图2中，数据采集器发出的扫频信号经功率放大器作用于激振器，激振器连接阻抗头并对试验台激励。力信号由阻抗头拾取，加速度信号由加速度传感器测得，两者经电荷放大器转变为适量大小的电压信号，由数据采集器采集。计算机最终得到经数据采集器模数转换的力和加速度值，通过模态分析软件傅里叶变换后 即可得各测点频响函数，然后由MATLAB程序计算出结合面单位面积等效动刚度和阻尼。图 3为 Mtalab程序识别过程中幅频和相频曲线，在振动幅值最大处，激励和响应相位差为 90。，符合单自由度系统规律。

表 1 贴塑结合面动态特性试验条件Tab.1 Testing conditions of the experiment影响因素 因素变化滑动速度/(mm·min )润滑油粘度面压/MPa贴塑厚度/mm0-400无介质，32#，68#，100#O.01～0.11，1.2，1.5，2呈运0300 350 400 450(a)幅频曲线200l501005O0(b)相频曲线图3 Mtalab识别曲线Fig.3 Recognition CHIVe of Matlab2 试验结果分析O2.1 滑动速度对结合面动态特性影响贴塑导轨运行时会振动，其动摩擦系数会随速度的改变而变化 J。因此滑动速度是影响结合面动态性能的重要因素之-。另外其工作过程中还受到载荷、润滑状况等因素影响，分析不同面压及不同介质下速度对动态特性的影响规律便尤为重要。

2.1.1 不同面压下速度影响规律由图4(a)知，面压不变时，贴塑导轨结合面动刚度随速度的增加而降低。速度由0增加到 300 mm/mio，不同面压状态下结合面动刚度的下降幅度也不同，面压为0.01 MPa时动刚度下降 60%，而面压为0.1MPa时动刚度仅下降30%左右，说明面压越高，速度对动刚度影响越校速度达到 300 ram/rain以上刚度则会增大。主因为该速度使结合面问产生动压润滑状态，形成润滑油膜，故增加了结合面抵抗变形的能力。

图4(b)中，贴塑结合面阻尼随速度的增大先增加再减小，达到-定速度(200～300 mm/min)后结合面阻尼变化趋势趋于平缓。不同面压条件下，结合面阻尼随速度变化规律基本-致，说明面压改变对结合面阻尼随滑动速度变化趋势影响较校第3期 郭成龙等：贴塑导轨结合面法向动态特性参数的识别及分析 97g 10孝；9× 6i0 N×喜爱唇 Z媳 。

速度/(mm·min。)(b)阻尼随滑动速度的变化图4 不同面压下结合面动态特性随速度的变化Fig.4 Changes of dynamic characteristicswith the speed in diferent surface pressure譬1己 1言- ×甚裔墨- 无介质4 -32# 68l00#0 ×号孽善蜒gZ邑- ×蕃雹媳质：!翅滑动速度/(ram·rain。)(b)不同介质下阻尼随滑动速度的变化图 5 不同面压下结合面动态特性随速度的变化Fig.5 Changes of dynamic characteristicswith the speed in different lubricating oil2.1.2 不同介质下速度影响规律贴塑导轨工作过程中，滑台相对导轨往复滑动，润滑油不仅在导轨与滑台间形成油膜，减少了摩擦力，还具有抗氧化、抗腐蚀、防锈及防爬性能。试验中测试不同粘度的导轨润滑油对贴塑结合面动刚度和阻尼的影响规律，如图5所示。

由图5(a)知，其他条件相同时，润滑状态下结合面动刚度较干摩擦状态下动刚度提高 20%左右，